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文档简介

第二章物理层1194,195,196本章学习要求:掌握:物理层与物理层协议的基本概念。掌握:数据通信的基本概念。掌握:数据编码的类型和基本方法。掌握:数据传输的基本概念。掌握:多路复用的分类与特点。掌握:传输介质的基本特性。2194,195,196第2章物理层2.1数据通信的基本概念2.2数据通信的基础知识

2.2.1数据通信系统的模型

2.2.2有关信道的几个基本概念

2.2.3提高数据传输速率的途径2.3物理层下面的传输媒体

3.3.1导引型传输媒体

3.3.2非导引型传输媒体3194,195,196第2章物理层(续)

2.4信道复用技术2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用

2.4.2波分复用

2.4.3码分复用

2.5数字传输系统2.6宽带接入技术

2.6.1ADSL技术

2.6.2光纤同轴混合网

2.6.3FTTx

技术2.6.4无线接入4194,195,1962.1数据通信的基本概念

2.1.1信息、数据与信号

1.信息的基本概念通信的目的是交换信息,信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像,计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合;为了传送这些信息,首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的数据来表示;为了传输二进制代码的数据,必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示;数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。5194,195,196信息编码标准ASCII码被国际标准化组织ISO接受,成为国际标准ISO646,又称为国际5号码;它用于计算机内码,也用做数据通信中的编码标准;ASCII码采用7位二进制比特编码,可以表示128个字符;字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等。6194,195,1962.信号的概念

信号是数据在传输过程中电信号的表示形式;模拟信号(analogsignal)的信号电平是连续变化的;数字信号(digitalsignal)是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号表示;按照在传输介质上传输的信号类型,通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。7194,195,196

模拟信号波型数字信号波型8194,195,196课件制作人:谢希仁谢钧

2.1.2数据通信系统的模型

传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机9194,195,196

2.2传输概念

频率、频谱及带宽信号的特性包括时间特性和频率特性对信号时间特性的分析在时域(TimeDomain)上进行振幅、频率、相位是在时域上描述信号的主要参数在时域上表示信号的图象称为时域图任一信号都可看成由某个频率范围内的频谱成分组成信号的频率特性对信号带宽和数据率等至关重要对信号频率特性的分析在频域(FrequencyDomain)上进行在频域上表示信号的图象称为频域图频域图有最大振幅-频率和相位-频率两种图象在频域上进行信号分析通常比在时域上简便10194,195,1962.2.1时域概念连续信号随时间平滑变化离散信号持续一恒定电平然后跳变到另一恒定电平周期信号信号模式在时间上重复非周期信号模式在时间上不重复11194,195,196连续与离散信号12194,195,196周期信号

s(t+T)=s(t)(-∞<t<+∞)13194,195,196正弦波—最简单的周期信号

s(t)=Asin(2πft+)

最大振幅(A)

信号的最大强度电压、电流或功率值

频率(f)信号的变化速率每秒循环个数周期是完成一次循环所需时间(T)T=1/f相位()

相对于时间零点的位置14194,195,196改变正弦波AmplitudePhasefrequency15194,195,196改变相位

16194,195,196波长一个周期所占距离两个连续周期中具有相同相位的两点间距离波长

、信号的速度v与周期T(或频率f

)三者关系f=v(=vT

)v=2×108m/s(speedofwaveinguidedmedium)c=3×108m/s(speedofwaveinfreespace)17194,195,1962.2.2频域概念信号通常由若干频率成分组成这些成分是正弦波可以证明(傅里叶分析)任何信号都是由不同频率的正弦波组成的.可以画出频域图问题:信号分析可以把复合信号分解为简单信号分量的叠加,为什么这种分解在频域上比在时域上方便,尤其对非周期函数?举例说明

提示:从计算和图示两方面考虑18194,195,196周

πππππ19194,195,196

方波频率分量20194,195,196

时域和频域表示

21194,195,1962.2.3数据率和频带的关系任何传输系统具有有限的频带由此限制了可以运载的数据速率22194,195,196可以看出信号中心频率(基频)决定了数据率信号的带宽必须适应传输信道带宽,不能超出信道带宽限制如果信道带宽增加,在保持信号质量不变的前提下数据率也随之增加如果在带宽不增加的情况下单纯追求数据率的提高,是以牺牲信号质量为代价的23194,195,196讨论任何数字波形都具有无限的带宽数字信号的能量主要集中在信号的基频附近根据中心频率(基频)可估算出数字信号数据率传输信号的带宽受限于传输媒体带宽越受限制,差错机会越多24194,195,1962.3信道容量两个重要定理:奈奎斯特准则香农定理25194,195,1962.3.1信道的最高码元传输速率任何实际的信道都不是理想的,在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

码元传输的速率越高,或信号传输的距离越远,在信道的输出端的波形的失真就越严重。26194,195,196奈氏(Nyquist)准则理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud

W是理想低通信道的带宽,单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒

2码元。Baud是波特,是码元传输速率的单位,1波特为每秒传送1个码元。

27194,195,196要强调以下两点实际的信道所能传输的最高码元速率,要明显地低于奈氏准则给出上限数值。波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。波特是码元传输的速率单位(每秒传多少个码元)。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。比特是信息量的单位。

28194,195,196要注意信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。若1个码元只携带1bit的信息量,则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。若1个码元携带nbit的信息量,则

MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M

n

b/s。29194,195,1962.3.2信道的极限信息传输速率香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率C可表达为

C=Wlog2(1+S/N)b/s

W为信道的带宽(以Hz为单位);S为信道内所传信号的平均功率;N为信道内部的高斯噪声功率。

30194,195,196香农公式表明信道的带宽或信道中的信噪比越大,则信息的极限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率,就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽

W

或信噪比

S/N

没有上限(当然实际信道不可能是这样的),则信道的极限信息传输速率

C

也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。31194,195,1962.3.3提高数据传输速率的途径任何实际的信道都不是理想的,在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

码元传输的速率越高,或信号传输的距离越远,在信道的输出端的波形的失真就越严重。32194,195,196数字信号通过实际的信道失真不严重失真严重实际的信道(带宽受限、有噪声、干扰和失真)输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道(带宽受限、有噪声、干扰和失真)输出信号波形(失真严重)33194,195,196提高数据传输速率的途径首先,要使用更好的传输媒体。其次,使用先进的编码和调制技术。但不管采用怎样好的传输媒体和怎样先进的调制技术,数据传输速率总是受限的,不可能任意地提高,否则就会出现较多的差错。34194,195,1962.4模拟数据传输和数字数据传输在计算机中,数据是以离散的二进制“0”、“1”比特序列方式表示的。计算机数据在传输过程中的数据编码类型主要取决于它采用的通信信道所支持的数据通信类型。通信信道分为模拟信道和数字信道,而依赖于信道传输的数据也分为模拟数据与数字数据。因此,数据的编码方法包括数字数据的编码与调制和模拟数据的编码与调制。35194,195,196数据调制与编码模拟数据--模拟信号传输数据数据--模拟信号传输数字数据--数字信号传输模拟数据--数字信号传输36194,195,1962.4.1模拟数据的模拟信号传输为何调制模拟信号?高频可以更有效的传输允许频分复用调制类型调幅(AM)调频(FM)调相(PM)37194,195,196载波信号sin2πfc

t原始模拟信号m(t)调制后信号s(t)38194,195,19639194,195,196传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的,只适用于传输音频范围(300Hz~3400Hz)的模拟信号,无法直接传输计算机的数字信号;为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据信号的传输,必须首先将数字信号转换成模拟信号;将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制,将调制设备称为调制器(modulator);将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调,将解调设备称为解调器(demodulator);同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器(modem)。

2.4.2数据数据的模拟信号传输40194,195,196

41194,195,196在调制过程中,选择音频范围内的某一角频率ω的正(余)弦信号作为载波,该正(余)弦信号可以写为:

u(t)=um·sin(ωt+φ0)3个可以改变的电参量:—振幅um

—角频率ω—相位φ可以通过变化3个电参量,来实现模拟数据信号编码的目的。1.幅移键控

2.频移键控

3.相移键控42194,195,1961.幅移键控(amplitudeshiftkeying,ASK)

um·sin(ω1t+φ0)数字1

u(t)=0

数字0振幅键控ASK信号实现容易,技术简单,但抗干扰能力较差。43194,195,1962.频移键控(frequency-shiftkeying

,FSK)

um·sin(ω1t+φ0)数字1

u(t)=um·sin(ω2t+φ0)数字0移频键控FSK信号实现容易,技术简单,抗干扰能力较强,是目前最常用的调制方法之一。

44194,195,1963.相移键控(phase-shiftkeying,PSK)

绝对调相

um·sin(ωt+0)数字1

u(t)=um·sin(ωt+π)数字0移相键控可以分为:绝对调相相对调相

二相调相多相调相45194,195,1962.4.3数字数据的数字信号传输基带传输在基本不改变数字数据信号频带(即波形)的情况下直接传输数字信号,可以达到很高的数据传输速率与系统效率;在基带传输数字数据信号的编码方式主要有:非归零码NRZ;

曼彻斯特(manchester)编码;差分曼彻斯特(differencemanchester)编码。46194,195,1961.非归零码NRZ编码方法:高电平:表示:“1”

零电平:表示:“0”NRZ码的缺点是无法判断一位的开始与结束,收发双方不能保持同步;为保证收发双方的同步,必须在发送NRZ码的同时,用另一个信道同时传送同步信号;如果信号中“1”与“0”的个数不相等时,存在直流分量。47194,195,1962.曼彻斯特(manchester)编码曼彻斯特编码的规则:每一位的中间有一个跳变;跳变从高到低:表示“0”。跳变从低到高:表示“1”曼彻斯特编码的优点:每个比特的中间有一次电平跳变,两次电平跳变的时间间隔可以是T/2或T;利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号;曼彻斯特编码信号又称做“自含钟编码”信号,发送曼彻斯特编码信号时无需另发同步信号。

48194,195,196差分曼彻斯特(differencemanchester)编码差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。每一位的中间有一个跳变;每位开始处出现电平跳变表示:“0”每位开始处不出现电平跳变表示:“1”差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不同点主要是:每比特的中间跳变仅做同步之用;每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定;49194,195,196数字数据编码信号的波形50194,195,1962.4.4模拟数据的数字信号传输语音信号低通取样量化编码信道解码语音信号发送端A/D接收端D/A51194,195,196PCM基本原理

1、PCM主要包括抽样、量化、编码三个过程,实现

A/D变换,成为二元代码。

2、PCM编码过程是模拟信号调制一个二进制脉冲序列,载波是脉冲序列,调制改变脉冲序列的有无,所以称为脉码调制。

3、解调主要由解码和低通二个过程完成。52194,195,196采样量化编码四位二进制;16个量化级;编码后的数据:0011011011011111110101110100000153194,195,196PCM用于数字语音系统:声音分为128个量化级;(音频<4KHZ)每个量化级采用7位二进制编码表示;采样速率为8000样本/秒;数据传输速率应达到7位×8000/秒=56kb/s;如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示;数据传输速率应达到8位×8000/秒=64kb/s。采样定理:只要采样频率不低于模拟信号最高频率的2倍,就可以从采样脉冲信号无失真的恢复出原来的模拟信号。54194,195,1962.5

多路复用技术

多路复用的基本概念55194,195,1963.5.1多路复用技术的分类频分多路复用FDM波分多路复用WDM时分多路复用TDM码分多路复用CDM56194,195,1962.5.2频分多路复用在一条通信线路设计多路通信信道;每路信道的信号以不同的载波频率进行调制;各个载波频率是不重叠的,那么一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。57194,195,196复用的时域图58194,195,196复用的频域图59194,195,196解复用的时域图60194,195,196解复用的频域图61194,195,196北美无线电视频道频率分配62194,195,196

2.5.3波分多路复用

光纤通道(fiberopticchannel)技术采用了波长分隔多路复用方法,简称为波分复用WDM;在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM;目前一根单模光纤的数据传输速率可以达到26Tb/s。63194,195,196波分复用图示64194,195,196课件制作人:谢希仁谢钧1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分复用WDM波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器65194,195,1962.5.4时分多路复用

TDM-时分多路复用

(同步时分复用)传输媒体数据率超出要传输的数字信号的数据率多个数字信号在时间上交错传输可以是比特级、字符级或数据块级的交错时隙(Timeslot)预分配给数据源,且是固定的即使无数据也分配时隙STDM–统计时分复用(异步时分复用)只把时隙分配给发送的数据源

66194,195,196TDM时分多路复用67194,195,196TDM复用示例68194,195,196TDM解复用示例69194,195,196时分多路复用的分类

同步时分多路复用

统计时分多路复用

70194,195,1962.5.5码分复用CDM常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力,其频谱类似于白噪声,不易被敌人发现。每一个比特时间划分为m个短的间隔,称为码片(chip)。

71194,195,196码片序列(chipsequence)每个站被指派一个唯一的mbit码片序列。如发送比特1,则发送自己的mbit码片序列。如发送比特0,则发送该码片序列的二进制反码。

例如,S站的8bit码片序列是00011011。发送比特1时,就发送序列00011011,发送比特0时,就发送序列11100100。S站的码片序列:(–1–1–1+1+1–1+1+1)72194,195,196CDMA的重要特点每个站分配的码片序列不仅必须各不相同,并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。73194,195,196码片序列的正交关系令向量S表示站S的码片向量,令T表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交,就是向量S和T的规格化内积(innerproduct)都是0:(3-4)74194,195,196码片序列的正交关系举例令向量S为(–1–1–1+1+1–1+1+1),向量T为(–1–1+1–1+1+1

+1–1)。把向量S和T的各分量值代入(3-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。75194,195,196任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是–1。正交关系的另一个重要特性76194,195,196CDMA的工作原理S站的码片序列S110ttttttm

个码片tS站发送的信号SxT站发送的信号Tx总的发送信号Sx+Tx规格化内积S

Sx规格化内积S

Tx数据码元比特发送端接收端77194,195,1962.6数字载波系统TDM应用举例:T1数字载波系统24路音频信道复用在一条通信线路上;每路音频模拟信号在送到多路复用器之前,要通过一个PCM编码器;编码器每秒取样8000次;24路PCM信号的每一路轮流将一个字节插入到帧中;每个字节的长度为8位,其中7位是数据位,1位用于信道控制;每帧由24×8=192位组成,附加一位作为帧开始标志位,所以每帧共有193位;发送一帧需要125微秒;(=1秒/8000次)T1载波的数据传输速率为1.544Mb/s(=193*8000帧)。78194,195,196数字载波系统79194,195,196T-1帧80194,195,196PCM24路数字载波系统——T-1线路81194,195,196北美多路数字载波系统分级结构82194,195,196PCM30/32路数字载波系统(E1线路)帧结构与时隙-每帧由32个时隙组成,每个时隙8比特,每帧共256比特-同步时隙:第0时隙-信令时隙:第16时隙-话路时隙:第1时隙至第15时隙和第17时隙至第31时隙…...3101…...151617310…...…...第N帧第N+1帧第N-1帧12345678话路时隙话路时隙信令时隙同步时隙PCM采样频率为8KHz,1个样本8比特。每个时隙信号速率:8Kbpsx8=64Kbps;每帧的总速率:64Kbpsx32=2.048Mbps。83194,195,196准同步数字复接系列PDH84194,195,196数字传输系统早期的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面:速率标准不统一。如果不对高次群的数字传输速率进行标准化,国际范围的高速数据传输就很难实现。

不是同步传输。在过去相当长的时间,为了节约经费,各国的数字网主要是采用准同步方式。

85194,195,196同步光纤网SONET同步光纤网SONET(SynchronousOpticalNetwork)的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。第1级同步传送信号STS-1(SynchronousTransportSignal)的传输速率是51.84Mb/s。光信号则称为第1级光载波OC-1,OC表示OpticalCarrier。86194,195,196

同步数字系列SDH

ITU-T以美国标准SONET为基础,制订出国际标准同步数字系列SDH(SynchronousDigitalHierarchy)。一般可认为SDH与SONET是同义词。SDH的基本速率为155.52Mb/s,称为第1级同步传递模块(SynchronousTransferModule),即STM-1,相当于SONET体系中的OC-3速率。87194,195,196线路速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号表示线路速率的常用近似值51.840OC-1/STS-1155.520*OC-3/STS-3STM-1155Mb/s466.560OC-9/STS-9STM-3622.080*OC-12/STS-12STM-4622Mb/s933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-81866.240OC-36/STS-36STM-122488.320*OC-48/STS-48STM-162.5Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410Gb/sSONET的OC级/STS级与SDH的STM级的对应关系88194,195,1962.7数据传输方式并行与串行同步与异步单工、半双工与全双工数据传输并行串行同步异步89194,195,196串行通信与并行通信90194,195,196异步与同步传输时序问题需要一种机制来使发送器与接收器同步举例两种解决方案异步同步91194,195,196异步一次一个字符传输数据5至8个比特有时需要一个奇偶检验比特仅需要在每个字符内进行定时在每个字符内实现比特的同步每个字符重新同步字符间的异步92194,195,196异步传输图示时钟间隔100时钟间隔9493194,195,196实际的起始比特和停止比特94194,195,196异步–优点与缺点简单廉价每个字符2至3个比特额外开销(~20%)适用于较大时间间隔的数据(键盘)95194,195,196同步一次传输一个数据块需要指示数据块的开始与结束使用前文和后文面向字符的方案:以同步字符SYN开始,以结束字符END结束.面向比特的方案:以01111110字符串开始和结束。比异步更有效(额外开销更低)举例:HDLC48比特的控制、前文和后文每个数据块1000字符额外开销=48/(8x1000+48)x100%=0.6%96194,195,196两种同步方案面向字符的同步方式:数据传输以字符串为单位,发送端在发送数据信息前,先向接收端发出一个或多个同步字符SYN(编码为00101000)。面向位的同步方式:数据传输以数据块为单位,发送端在要发送的数据块的前后加上同步位模式F标志(编码为01111110)。SYNSYN……

一个或多个SYN字符控制字符数据字符控制字符

F……

8比特标志控制字符数据字符控制字符8比特标志F97194,195,196单工、半双工与全双工通信98194,195,1962.8传输介质传输媒体种类双绞线同轴电缆光纤无线电微波卫星红外有线媒体信道通常是抽象的描述,传输媒体即是物理信道。无线媒体99194,195,196传输媒体的基本特性物理结构:传输媒体物理结构的描述传输特性:通信容量、传输频率、调制技术抗干扰性:对于抵御噪声、电磁干扰等可靠性状况

地理范围:传输距离与移动性

连接情况:允许点对点或多点传输

应用背景:当前应用及其前景,以及价格等内容100194,195,196双绞线(Twisted-pair)也称双扭线由两根互相绝缘的铜导线用规则的方法扭绞起来构成101194,195,196双绞线一、局域网中的传输介质1、双绞线双绞线就是由两根相互绝缘的导线绞合而成。(普通的电话线就是一种双绞线)双绞线电缆就是由一对或多对双绞线和一个保护套构成。102194,195,196双绞线双绞线的分类:(1)按屏蔽与否可以分为屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP),其中屏蔽双绞线可以防止窃听,安全性高,但造价也很高。局域网组建中使用最多的是UTP。103194,195,196UTP双绞线2)按规格和性能的不同可以分为:三类、四类、五类、超五类、六类、七类。它们的性能依次增强。局域网中最为流行的双绞线为三类和五类线。其中三类线应用于数据传输速率为10Mbps的网络中;五类线应用于速率为100Mbps网络中。现在千兆以太网和万兆以太网也在蓬勃的发展,特别是千兆网。其使用的双绞线一般为超五类和六类线。104194,195,196UTP电缆的近端串扰与衰减的限制

(三类、四类和五类线)单位:dB105194,195,196AvayaGigaspeedUTPWires10BASE-T100BASE-TX/T41000BASE-T106194,195,196AvayaRJ-45Jakes107194,195,196AvayaUTPInsideofRJ45Jack108194,195,1964对线的UTP与RJ-45的连接

TIA/EIA-568A

RJ-45

UTP线对引脚线颜色1绿白2绿3橙白4蓝5蓝白6橙7棕白8棕TRTRTRTR12345678对3对4对2对1109194,195,196对线的UTP与RJ-45的另一种可选连接

TIA/EIA-568BTRTRTRTR12345678对2对4对1

RJ-45

UTP线对引脚线颜色1

橙白2橙3绿白4蓝5蓝白6绿7棕白8棕110194,195,196双绞线的使用棕白棕绿白蓝蓝白绿橙白橙另一头棕白棕绿白蓝蓝白绿橙白橙一头87654321直连网线棕白棕橙白蓝蓝白橙绿白绿另一头棕白棕绿白蓝蓝白绿橙白橙一头87654321交叉线111194,195,196RJ-45

制作112194,195,196同轴电缆(CoaxialCable)

由单股实心或多股绞合的铜质芯线(内导体)、绝缘层、网状编织的屏蔽层(外导体)以及保护外层所组成113194,195,196①粗同轴电缆简称粗缆,用于传送基带数字信号.②细同轴电缆简称细缆,也用于传送基带数字信号。最大传输距离不及粗缆,但因比粗缆便宜而被广泛使用。③TV电缆用于模拟传输系统,它是社区天线电视系统(CATV)中的标准传输电缆。采用的是频分复用的宽带信号。同轴电缆的种类

114194,195,196双绞线减少相邻导线间的串扰。主要缺点是存在较强的趋肤效应,随着传输速率的增加,导线中的电流趋向于在导体的外层流动,从而减少可使用的有效截面积,增大导线的电阻和信号的衰减。双裸线构成的线路的串扰现象非常严重。优缺点同轴电缆由于外导体的作用,外来的电磁干扰被有效地屏蔽了,因此具有很好的扰干扰特性,并且因趋肤效应所引起的功率损失也大大减小。同时,与双绞线相比,同轴电缆具有更宽的带宽和更快的传输速率。115194,195,196光纤的基本知识(一)光光是一种电磁能量形式在真空中传播最快,300000km/s光速与传输媒质密度成反比光的自然特性折射全反射角反射(全反射)116194,195,196BendingofLightRay折射率117194,195,196Refraction(折射)在均匀物质中光以直线形式传播当一束光线由某种密度的媒质传播到不同密度的另一种媒质时,光线会在两种媒质的界面处向垂直的法线方向折射折射光线发生的角度变化取决于媒质发生的密度变化的大小(如斯涅尔定律所描述)光线从密度较低的媒质穿入较高密度的媒质中时,折射角小于入射角光线从密度较高的媒质穿入较低密度的媒质中时,折射角大于入射角118194,195,196Refraction折射角R比入射角I小折射角R比入射角I大119194,195,196CriticalAngle(全反射角)从高密度媒质进入到低密度媒质的光线,随着入射角增大,折射角也增大,并逐渐远离垂直轴而靠近水平轴入射角的变化使折射角增大到90度,折射光线完全成了沿媒质界面传播水平光线,此时的入射角称为临界角,或称全反射角120194,195,196Reflection(反射)对于从高密度媒质到低密度媒质的光线,当入射角大于全反射角时,就产生了反射光线再不会进入低密度媒质,此时反射光线与法线之间的夹角称为反射角在此情况下,入射角总是等于反射角121194,195,196斯涅尔反射定律斯涅尔折射定律1=1′

(1)n1sin1=n2sin2(2)

n1、n2为不同媒质的折射率电磁场理论中的斯涅尔定理描述了入射光线与反射光线、折射光线之间的关系′122194,195,196光纤的物理构成光纤由三部分组成:纤芯、包层和保护层。光纤的基本知识(二)123194,195,196FiberConstruction124194,195,196TypicalFiberCable125194,195,196CableStructures126194,195,196光纤的导光原理光纤利用全反射将光线在信道内定向传输光纤中心是密度较高的石英玻璃(二氧化硅)或塑料的纤芯,外面覆盖着密度较小的石英玻璃或塑料的包层两种材料的密度差异必须保证能够使纤芯中的光线只能反射回来而不能折射入包层光纤的基本知识(三)127194,195,196

*光纤的纤芯和包层材料两者的折射率不同。设纤芯的折射率为n1,包层的折射率为n2,则要求有n1>n2。纤芯和包层构成横截面很小的双层同心圆柱体,该圆柱体称为裸光纤。128194,195,196129194,195,196光线A以入射角1A射到空气,在分界面被折射进纤芯。折射角为2A,光线A折射进纤芯后继续传播,到达纤芯和包层的分界面时,因为n1>n2且1’A大于临界角,发生全反射,2’A等于1’A。此后,入射到纤芯的光线将在包层界面上不断发生全反射,使光线在纤芯中以“Z”折线方式传播至另一端;光线B的入射角1B过大,使光线到达纤芯和包层的分界面时的入射角1’B小于临界角,所以光线将折射进包层;光线C是特殊情况,它平行于纤芯轴线射入光纤,入射1C为0,光线沿着纤芯轴线传播。130194,195,196

渐变型光纤纤芯的折射率n1是半径r的函数,n1随r的增加而按一定规律减小,到达与包层的交界面为n2,而包层的折射率恒为n2,这种光纤的导光原理与上述不同.由于n1随r的增加按一定规律减小,因此可根据n1(r)的不同,将纤芯分成若干层.131194,195,196OpticalFiber-BenefitsGreatercapacityDataratesofhundredsofGbpsSmallersize&weightLowerattenuationElectromagneticisolation132194,195,196光纤的传播模式多模传播多束光线从光源经由芯材通过不同的光路传播;按折射率分布的不同分为两种类型阶跃模式n1、n2都为常数且n1>n2渐变模式n2为常数且n1随r增加而有规律减小单模传播阶跃模式,因纤芯直径很小,入射角与反射角很大,几乎是沿轴线直线传播133194,195,196光纤的种类按照折射率分布的不同来分134194,195,196

如果光纤只能传输一个光线模式,这种光纤称为单模光纤(SingleModefiber,简称SM)。

如果光纤允许光线中的多个模式传输,这种光纤称为多模光纤(MultiModefiber,简称MM)。

再根据光纤的折射率分布的不同,多模光纤又分为多模阶跃型光纤和多模渐变型光纤。按照传输模式的多少来分135194,195,196PropagationModes136194,195,196OpticalFiberTransmissionModes137194,195,196MultimodeStep-Index光线以折线形状传输,脉冲信号畸变大,用于近距离传输138194,195,196MultimodeGraded-Index光线以曲线形状传输,脉冲信号畸变相对较小,比阶跃型传输距离更大,传输距离更长139194,195,196SingleMode光线以直线传输,脉冲信号畸变小,用于长距离高速传输,当前光纤发展的主流140194,195,196OpticalFiberComparison141194,195,196LightSource142194,195,196光纤的传输特性损耗特性(类似于衰减)吸收损耗(材料中杂质吸收)散射损耗(材料、形状、折射率分布有缺陷或不均匀)主要是瑞利散射:光纤材料折射率的随机性变化色散特性(类似于时延失真)材料色散(材料折射率随频率变化引起)波导色散(几何结构、形状不完善使光进入包层传播)模式色散(多模光纤的主要色散,单模光纤无)143194,195,196波长衰耗单模多模多模与单模144194,195,196Avaya12-fiberOpFibBundle145194,195,196AvayaOpFibPatchWires146194,195,196MediaSpecificationsfor

Opticalfiber10BASE-F850nm光纤多模

2公里100BASE-FX2根光纤412m;全双工2公里1000BASE-SX62.5um(275m)/50um(550m)多模1000BASE-LX62.5um(550m)多模/10um(5000m)单模147194,195,196无线传输介质无线传输介质(又称为视线媒体)用自由空间作为传输介质来进行数据通信。特点:信号沿直线传播。适用:架设或铺埋电缆或光缆较困难的地方,广泛应用于电话领域构成的蜂窝式无线电话网。分类:红外通信、无线电通信、和微波通信(微波通信又主要有两种方式:地面微波接力通信和卫星通信)。148194,195,196电磁波的频谱和应用149194,195,196无线电波传播方式球面传播

长波通过紧靠地球表面的大气最低层传播对流层传播

中波对流层是离地面30英里的大气层(包括同温层)信号直线传播或通过对流层反射两种传播方式电离层传播

短波电离层是对流层之上太空之下的大气层信号通过电离层反射视线传播

地面微波天线与天线相向直线传播空间传播

空间微波采用卫星代替大气折射150194,195,196无线电基站覆盖的无线电区域基站特点频率范围在10kHz-1GHz之间。射频信号的能量可由天线和收发器决定。

能穿透墙壁,也可到达普遍网络线无法到达的地方。可全方向广播,也可定向广播。不受雪、雨天气的干扰。151194,195,196地面微波接力通信原理:长距离传输时每隔一段距离就需架中继站,将前一信号放大向后传。适用:微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。优点:频带宽、通信容量大、传输质量高、可靠性较好、投资少、见效快、灵活等。缺点:相邻站间必须直视,不能有障碍物;受气候干扰较大、保密性差、中继站的使用与维护问题等。152194,195,196地面微波接力通信153194,195,196卫星通信原理:用位于36000Km高空的人造同步通信卫星作中继器的一种微波接力通信。特点:通信距离远、费用与距离远近无关;具有较大的传输延迟,且传输延迟相对确定。优点:频带很宽,通信容量大,信号受干扰小,通信比较稳定。缺点:保密性较差,造价较高。适用:广播电视通信。154194,195,196卫星通信155194,195,196卫星通信156194,195,196红外线与毫米波特点:具有一定的方向性。优点:价格便宜,易制造,有良好的安全性,不易被窃听或截取。缺点:不能穿透坚硬的物体。适用:被广泛应用于短距离通信,红外线成为室内无线网的主要选择对象。。157194,195,1962.6宽带接入技术

2.6.1ADSL技术ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)

技术用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造,使它能够承载宽带业务。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400kHz的范围内,但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz。ADSL技术就把0~4kHz低端频谱留给传统电话使用,而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。“非对称”是指ADSL的下行(从ISP到用户)带宽都远远大于上行(从用户到ISP)带宽。158194,195,196ADSL的极限传输距离ADSL的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系(用户线越细,信号传输时的衰减就越大),而所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。159194,195,196ADSL的特点上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到ISP,而下行指从ISP到用户。ADSL在用户线(铜线)的两端各安装一个ADSL调制解调器。我国目前采用的方案是离散多音调

DMT(DiscreteMulti-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。160194,195,196DMT技术DMT调制技术采用频分复用的方法,把26kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道,其中25个子信道用于上行信道,而249个子信道用于下行信道。每个子信道占据4kHz带宽(严格讲是4.3125kHz),并使用不同的载波(即不同的音调)进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。161194,195,196DMT技术的频谱分布…频谱频率上行信道传统电话04下行信道…(kHz)约1100kHz162194,195,196ADSL的数据率由于用户线的具体条件往往相差很大(距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同),因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。当ADSL启动时,用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况,以及在每一个频率上测试信号的传输质量。ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。通常下行数据率在32kb/s到8Mb/s之间,而上行数据率在32kb/s到640kb/s之间。163194,195,196ADSL的组成ATU-CATU-CATU-RATU-C用户线

电话分路器

区域宽带网至ISP居民家庭基于ADSL的接入网端局或远端站DSLAM至本地电话局PSPS数字用户线接入复用器DSLAM(DSLAccessMultiplexer)接入端接单元ATU(AccessTerminationUnit)ATU-C(C代表端局CentralOffice)ATU-R(R代表远端Remote)电话分路器PS(POTSSplitter)

164194,195,1962.6.2光纤同轴混合网

HFC(HybridFiberCoax)HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC网除可传送CATV外,还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络,它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而HFC网则需要对CATV网进行改造,165194,195,

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